Gemona del Friuli, 27 marzo 2010 - Scuola dell'energia sul lago dei tre comuni
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SISTEMI PER L’ACCUMULO DI ENERGIA
Gianmario L. Arnulfi (Università di Udine)
Si presenta una panoramica sui dispositivi di accumulo di energia, partendo dall'opportunità e dalla fattibilità del processo. Si segue un percorso che ha come guida le cinque classiche domande del giornalista “Chi? Dove? Quando? Come? Perché?”, sia pure in altro ordine di apparizione, più due caratteristiche dell’ingegnere “È fattibile? Conviene?”
La trattazione sull’accumulo è preceduta da una breve premessa sulla generazione (per meglio dire conversione) di energia.
Segue un elenco di tipologie di processi di accumulo e relativi dispositivi. Sono trattate con maggior dettaglio le due tipologie di impianto che permettono l’accumulo di grandi quantità di energia: quella, consolidata e abbastanza diffusa, del pompaggio d’acqua e quella, rarissima ma provata da decenni di funzionamento senza inconvenienti, della compressione d’aria.
Concludono la trattazione alcune considerazioni sulla eventuale convenienza della pratica dell’accumulo da diversi punti di vista: economico, energetico, ambientale, politico, anche in considerazione dell’alternativa all’accumulo stesso.
Segue un’appendice sull’unità di misura.
L’autore ha svolto attività scientifica sui dispositivi contrassegnati da una stellina accanto al numero di pagina.
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SISTEMI PER
L’ACCUMULO DI ENERGIA
Gianmario L. Arnulfi - Università di Udine Perché?
Quando?
È possibile?
Come?
Dove?
Conviene?
Chi?
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COME SI “PRODUCE” L’ENERGIA
Quasi tutta l’energia elettrica è prodotta da gruppi turbina-alternatore.
Il fluido (acqua, aria, vapore o gas) entra a contenuto energetico alto ed esce a basso.
Parte dell’energia sottratta al fluido è convertita dalla turbina in lavoro all’albero.
Parte del lavoro è a sua volta convertito dall’alternatore in energia elettrica.
La doppia conversione è necessaria per il trasporto a grandi distanze.
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PERCHÉ E QUANDO ACCUMULARE
La domanda varia in modo abbastanza prevedibile.
L’offerta è modulabile: centrali di base e di punta.
L’opportunità di accumulo è da valutare.
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PROSPETTIVE
Generazione distribuita– reti– sistemi isolati– impianti
“accoppiati”
Fonti rinnovabili stocastiche– eolico– solare
Impianti non-stop– carbone– uranio
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DISPOSITIVI DI ACCUMULO
Chimico– elettrolisi batteria– “estrazione”+ossidazione idrogeno
Elettrico magneti superconduttori
Termico– caldo geotermia, matrici
porose– freddo aria ingresso turbina
Meccanico– cinetico volano– gravitazionale pompaggio– elastico gas compresso
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ACCUMULO CHIMICO
Batteria al piombo
Batteria alcalina
Aeromotore isolato
Energia 1 GJ
Potenza 1 MW
Rendimento
90 %
Periodo 10 h
Costo 30 k€
2 Ni(OH)2 + {X K+ Y Li(OH)2} + Fe(OH)2 2 Ni(OH)3 + {X K+ Y Li(OH)2} + Fe + E
2 Ni(OH)2 + {X K+ Y Li(OH)2} + Fe(OH)2 2 Ni(OH)3 + {X K+ Y Li(OH)2} + Fe + E
PbO2 + 2 H2SO4 + {X H2O} + Pb 2 PbSO4 + {X H2O} + 2 H2O + E
PbO2 + 2 H2SO4 + {X H2O} + Pb 2 PbSO4 + {X H2O} + 2 H2O + E
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“ACCUMULO” A IDROGENO
L’idrogeno è diffuso in natura.
Sulla terra esiste in natura solo “combinato” (H2O, CH4…)
La sua “estrazione” è costosa– economicamente– energeticamente
H + sole/vento = 100% ecologico
Carica (ore vuote) = estrazione– idrocarburi (reforming)– acqua (elettrolisi)
Immagazzinamento– gas (4-20 MPa, 288 K)– liquido (100 kPa, 20 K)
Trasporto– bombole– gasdotto
Scarica (ore piene) – combustione pulita– conversione diretta
(celle a combustibile)
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ACCUMULO ELETTRICO
Induttori e Condensatori
Magneti superconduttivi– Minime perdite– Ni Ti– He liquido T < 4 K
Supercoducting Magnetic Energy Storage
22
22 VCE
ILE 22
22 VCE
ILE
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ACCUMULO TERMICO
Sali eutettici
Sfere criogene
Sonde geotermiche
Pompe di calore geotermiche
latente
sensibile
qm
TTcmE if
latente
sensibile
qm
TTcmE if
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ACCUMULO TERMICO – CRIOGENICO
Ritorno economico– scarso– rapido
Thermal Energy Storage gas Turbine Inlet Air Cooling
Energia 30 GJ
Potenza 1 MW
Rendimento
103 %
Periodo1
giorno
Costo 200 k€
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ACCUMULO CINETICO
Volani di “regolarizzazione”– cuscinetti a sfere– periodo = 1 s – alte perdite d’energia
Volani di “accumulo”– resine epossidiche +
vetro– sospensione magnetica– vuoto criogenico (1
mPa)– basse perdite d’energia– tecnologia non matura
82
22 DmJJE
82
22 DmJJE
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ACCUMULATORI A VOLANO
Attualmente esistono solo prototipi (es. gruppo di continuità).
Esiste uno studio per un volano ∅ 6 m.
Energia 36 MJ
Potenza 3 kW
Rendimento
99 %
Periodo 10 min
Costo ?
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ACCUMULO GRAVITAZIONALE
Maglio a gravità (berta)
Impianti idraulici di pompaggio
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IMPIANTI DI POMPAGGIO
Una centrale idroelettrica a bacino “modificata”.
Attualmente è l’unica tecnologia significativa per l’accumulo di grandi quantità d’energia.
Italia– 7,6 GW– 20
PJ/anno
Energia 10 GJ
Potenza 250 MW
Rendimento
70 %
Periodo1
giorno
1 anno
Costo 250 M€
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TIPOLOGIE DI POMPAGGIO
Configurazioni– quaternario– ternario (rendimento,
inversione)– binario (costo)
Classificazione– gronda (2 bacini inferiori)– puro– misto (reintegro > 5%)
Esempi– Fadalto (BL) ternario misto– Presenzano (CS) binario puro
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POMPAGGIO A BASSO SALTO
Costi molto minori
Impianti ex novo
“Densità energetica” bassa
Impatto ambientale alto
Maree artificiali (accumulo):– nessun impianto oggi
Maree naturali:– Rance (F)
Energia 5 GJ
Potenza 240
MW
Rendimento
66 %
Periodo 1 giorno
Costo ?
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ACCUMULO ELASTICO
Molla metallica
Molla pneumatica
Aria compressa
2
2xkE
2
2xkE
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ACCUMULO AD ARIA COMPRESSA
Carica: un compressore insuffla aria in un “serbatoio”.
Scarica: il gas* espande in turbina verso l’atmosfera.
Bisogna riscaldare l’aria prima di espanderla, es. mediante combustione interna (gas*).Compressed Air Energy Storage
“Serbatoio”– caverna rocciosa– giacimento esaurito
HC– miniera esaurita
NaCl– caverna porosa– falda
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IMPIANTI DI ACCUMULO AD ARIA
Impianti– Huntorf (Sassonia
D) 1978– McIntosh (Alabama
USA) 1992D USA
Energia 2 10 TJ
Potenza (carica)
60 60 MW
Potenza (scarica)
290 110 MW
Rendimento 66 78? %
Periodo1 1
giorno
Costo 200 ? ? M€
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IMPANTI A PRESSIONE COMPENSATA
Le turbomacchine lavorano male in condizioni fuori-progetto.
Mettere in comunicazione il ”serbatoio” con un “lago” limita le oscillazioni di pressione.
Il “serbatoio” deve essere molto profondo.
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USO DELLE FALDE ACQUIFERE
Accumulo di gas (CH4) in falda: tecnologia matura ma con periodo 1 anno.
Roccia sollecitata a fatica con periodo 1 giorno: da studiare.
Attacco e sottrazione dell’ossigeno: da valutare.
Effetto Champagne.
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CONVENIENZA
Economica– impianti molto
costosi– differenza prezzo
energia ore piene-vuote
– pareggio “lontano”
Energetica– perdite A / R– maggiori rendimenti
dei restanti impianti
Ambientale– rilevante impatto
sul sito– nulli o quasi i gas
tossici e gas serra
Politica economica– diversificazione
fonti– import\export
energetico
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ALTERNATIVA ALL’ACCUMULO
Base + Accumulo = PuntaBase + Accumulo = Punta
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CHI
Accumulo idraulico– ritorno a lungo
termine– rischio economico
Accumulo ad aria– tecnologia non
matura– rischio tecnico
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CONCLUSIONI
Accumulare grandi quantità di energia è possibile.
La scelta del sito è imposta, ma la disponibilità sembra vasta.
L’impatto ambientale è forte, nel bene e nel male.
L’accumulo può portare a un uso più razionale delle fonti.
La convenienza economica è da valutare.
Attualmente sembra esserci un rinnovato interesse.
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UNITÀ DI MISURA
1 J = 1 W s = 1/3600 W h
1 TEP = 10 000 000 kcal
1 kcal = 4187 J
1 J = 1/4187 kcal
1 J = 0,000 278 W h
1 J = 0,000 239 kcal
1 J = 0, 000 000 000 023 883 TEP
dtPE dtPE
hWhW hWhW
k 1 000
M 1 000 000
G 1 000 000 000
T 1 000 000 000 000
P 1 000 000 000 000 000